第6章设计规范安全度问题的处理

注册土木工程师（岩土）必修教材岩土工程设计安全度第6章设计规范安全度问题的处理6设计规范安全度问题的处理•6.1概述•6.2设计原则•6.3岩土性能参数代表值•6.4地基承载力•6.5边坡稳定分析6.1概述•概率极限状态法、容许应力法、单一安全系数法并存。同一概念用不同术语，同一术语不同含义，极易误解。•计算岩土问题所取的荷载与计算基础结构问题所取的荷载不同。•基础底面的反力有设计值与标准值之分，桩顶轴力也有设计值与标准值之分。《工程结构可靠度设计统一标准》•摘引了下列条文•适用范围•工程结构的功能要求•功能的可靠度及其度量•概率极限状态设计方法•承载能力极限状态•正常使用极限状态《工程结构可靠度设计统一标准》•(1)《统一标准》涵盖地基基础设计；•(2)“可靠度一般可用概率度量”,用词不严格；•(3)“宜采用分项系数表达的以概率理论为基础的极限状态设计方法”•地基设计过去积累的经验多为容许承载力，多数规范未采用概率极限状态设计方法；•(4)《统一标准》未提容许应力法和单一安全系数法，•一些规范虽实质是容许值，但不明示，用“标准值”、“特征值”等术语。岩土工程的承载能力极限状态•地基发生整体剪切、局部剪切或刺入剪切破坏；•边坡失稳或基底隆起破坏；•挡土结构破坏或倾覆；•地下工程垮塌或边墙倾覆；•流土、管涌、塌陷、液化等。•岩土体自身并未超过强度极限，但导致工程发生结构性的破坏：•（1）由于土的湿陷、融陷、震陷、胀缩等大变形，造成工程结构性破坏；•（2）由于岩土的过量位移，导致桩的倾斜、管道破裂、邻近工程的结构性破坏；•（3）由于地下水浮力、渗透力、静水压力或超静水压力导致工程的结构性破坏。正常使用极限状态：（1）由于岩土变形而使工程产生超限变形，包括沉降、差异沉降、倾斜、局部倾斜；（2）由于岩土变形而使工程结构发生表面裂缝或装修破坏；（3）由于岩土刚度不足而产生的影响正常使用的振动；（4）由于地下水渗透而影响工程的正常使用。作用、抗力和安全度互相配套•荷载取值提高，意味着安全度的提高；抗力取值的提高意味着安全度的降低。对容许承载力，则荷载取值的提高或抗力取值的降低，都意味着安全度的提高•荷载取值的降低或抗力取值的提高，都意味着安全度的降低。•当采用两种或两种以上规范规定的方法设计时，必须注意荷载、抗力和安全度的正确取值，切忌随意套用《工程结构可靠度设计统一标准》新版本•借鉴ISO国际标准《结构可靠性总原则》欧洲规范《结构设计基础》，贯彻从中国实际出发，总结我国工程经验。•内容上有所扩展，涵盖了工程结构设计的基本内容，是工程结构设计的基础标准。•1.0.3，“工程结构设计宜采用以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法；当缺乏统计资料时，工程结构设计可根据可靠的工程经验或必要的试验研究进行，也可采用容许应力或单一安全系数等经验方法进行”。6.2.2《建筑地基基础设计规范》•三个版本•（GBJ7-74）•结构设计采用定值法，用的是地基容许承载力•（GBJ7-89）《统一标准》已发布，采用概率极限状态设计，用分项系数表达的设计原则，地基承载力标准值、设计值，实质还是容许值。•（GB50007-2002）不再套用《统一标准》的术语，地基承载力改用“特征值”，其本质还是容许值。GBJ7-89存在的问题•形式上基本符合《统一标准》，实质上地基承载力标准值和设计值还是容许承载力，反而造成术语概念的混乱•按《统一标准》，抗力标准值是概率分布的某一分位数，和极限状态关联，•但（GBJ7-89）地基承载力标准值为容许值。•按《统一标准》，抗力设计值是标准值除以大于1.0的分项系数，设计值小于标准值，•但（GBJ7-89）设计值是标准值的深宽修正，设计值大于标准值。GB50007-2002的调整•取消了地基承载力标准值和设计值，改用地基承载力特征值；•调整了土的抗剪强度指标标准值的确定方法;•载荷试验确定地基承载力特征值稍有调整；•取消了用土的物理性质查地基承载力的表•对应的荷载作了相应调整•大体回到GBJ7-74上海《地基基础设计规范》•从（08-89）到（08-1999）作了较大修改。•2.01.地基基础设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，并以分项系数表达的极限状态设计表达式进行计算。•2.0.2极限状态分为：•1承载能力极限状态：•2正常使用极限状态：承载能力极限状态•与原规范安全水准相当的分项系数•承载力设计值：•天然地基，按土的内摩擦角和粘聚力分别给出分项系数；•桩基，按桩的总侧摩阻力和端阻力分别给出分项系数；•基坑围护墙、挡土墙、土坡稳定，在荷载项和抗力项按综合变量分别给出分项系数。极限承载力的概率取值•在概率极限状态的表达式中，荷载的设计值和抗力的设计值都是极限状态面上验算点（失效概率最大的点）的坐标，•设计值是地基极限承载力的一种概率取值•在总安全系数法的基础上进行可靠度分析，对分项系数进行校准。《港口工程地基规范》•根据《港口工程结构可靠度设计统一标准》（GB50158）要求修订•校准了土坡和地基稳定、地基承载力原安全系数•对应的可靠指标β：•土坡和地基稳定β=2.5~4.0,•地基承载力β=3~4•以此为基础提出分项系数。其他说明•对土的指标进行了大量统计；确定概率分布；提出土的抗剪强度统计方法；进行了土坡和地基稳定、地基承载力、地基沉降等可靠度探索、研究；校准了原安全系数对应的可靠指标β•承受偏心荷载和水平荷载，如土压力、水压力、波浪力、系缆力等,必须考虑合力偏心矩e和倾斜率•有或无抛石基床《建筑桩基技术规范》•（94-94）采用概率极限状态设计原则，用分项系数表达的极限状态设计表达式进行设计计算,•修订为2008版时，调整为原来的单一安全系数••《桩基规范》与《地基规范》在设计原则上仍有差别《桩基规范》与《地基规范》•《地基规范》容许应力法，•采用荷载效应的标准组合，抗力采用特征值。•《桩基规范》首先确定单桩极限承载力标准值或极限端阻力标准值和极限侧阻力标准值，然后后除以安全系数得相应的特征值，再与荷载标准组合比较•《桩基规范》属于单一安全系数法，而不是容许应力法•设计原则的讨论1•1上部结构设计和地基基础设计的配合•要求相互配合，采用一致的设计原则•岩土研究积累不够，不在同一个水平上•两类：•地基承载力设计值，荷载基本组合，分项系数表达，可靠指标分析•地基承载力特征值（容许值），荷载效应标准组合，不用极限承载力、分项系数设计原则的讨论2•2采用可靠度分析的必要条件•极限状态下进行分析•抗剪强度指标计算地基极限承载力为主•限制适用土类•规定测试方法•只限于有条件的地区和行业中设计原则的讨论3•3概率极限状态设计的不完善性•荷载综合分项系数，取1.0，只分析抗力分项系数，不是将荷载与抗力统一进行可靠度分析•每个场地各类土变异性不同，勘察报告给出了参数的代表值及其变异性，但规范未能充分考虑这些信息6.3.1岩土性能参数标准值的定义和取值•标准值是岩土性能参数的基本代表值•一类是取概率分布的某一分位数•一般对强度取0.05分位数，•对模量取0.5分位数•一类是根据工程经验，经分析判断确定ffkf645.1ffkf645.1标准值的计算•应采用总体平均值区间估计的理论•《岩土规范》•《地基规范》•某一范围综合性能指标，ffkf645.1ffkf645.1)918.7884.2(12nnk)918.7884.2(12nnk标准值的计算•不适用岩土。•重复采样试验,•同一参数的平行试验。•意味着子样很大ffkf645.1ffkf645.1ffkf645.1)918.7884.2(12nnk)918.7884.2(12nnk)918.7884.2(12nnk《港口工程地基规范》附录D•考虑了抗剪强度两个指标的相关性•工程实用采用简化相关法即τ平均法•计算可靠度时用正交变换法抗剪强度指标测定方法•验算地基承载力，宜用固结快剪指标•对饱和软粘土，验算短暂状况下地基承载力时，宜用不排水抗剪强度指标，直剪快剪不宜采用《水利水电工程地质勘察规范》摘录•物理性参数以算术平均值为标准值，也可概率分布0.5分位值值。渗透系数采用室内试验或抽水试验的大值平均值为标准值，用于水位降落和排水计算的渗透系数应采用试验的小值平均值为标准值。用于供水工程的渗透系数，应采用抽水试验的平均值为标准值。•压缩模量根据固结程度选取标准值，也可按概率分布0.5分位值为标准值，高压缩性土，宜压缩试验的大值平均值•允许承载力，根据标准贯入击数或原位试验的临界荷栽选定标准值。•混凝土坝和闸基础底面与地基土间的抗剪强度，对粘性土地基，内摩擦角标准值可采用饱和固结快剪试验内摩擦角的90%，凝聚力标准值可采用饱和固结快剪试验凝聚力的20~30%，对于砂土地基内摩擦角标准值，取试验值的85%-90%。《水利水电工程地质勘察规范》摘录•抗剪强度宜采用试验峰值的小值平均值，也可用概率分布的0.1分位值。用有效应力法进行稳定性分析时，对三轴压缩试验用试验平均值为标准值。•软土宜用流变强度值为标准值，高灵敏度软土，采用专门试验的强度值作为标准值。•均质岩体的密度、单轴抗压强度、点荷载试验、波速等，可采用试验结果的算术平均值或统计的最佳值，或采用概率0.2分位值•混凝土坝基础底面与基岩间的抗剪断强度，当试件呈脆性破坏时，拱坝采用峰值强度的平均值为标准值；重力坝用概率分布的0.2分位值为标准值或用峰值强度的小值平均值为标准值，或采用优定斜率法的下限为标准值。抗剪断强度应采用比例极限强度作为标准值。•试件呈塑性或弹塑性破坏，抗剪断强度或抗剪强度应采用屈服强度作为标准值。《水利水电工程地质勘察规范》•分别不同情况作不同的具体规定•当以概率分布某一分位数为标准值时，有用0.5，有用0.1，有用0.2，有直接用算术平均值。•还有用小值平均值，大值平均值等作为标准值。有的还规定了采用什么试验方法如何取试验值（峰值，折扣）等。标准值与地质建议值•标准值是试验成果经过分析整理、统计修正或考虑概率、岩土强度破坏准则等经验修正后的参数值，只反映岩土试件的特性；•地质建议值是地质人员根据试件所在部位的总体地质条件，对标准值进行调整后提出的，使标准值更符合于岩土体所在的地质环境，具有更好的地质代表性岩土性能参数代表值讨论•1对标准值的理解•基本代表值•概率统计计算，取概率分布的某一分位数•根据工程经验，经分析判断确定•《水利水电工程地质勘察规范》“标准值”“地质建议值”•独联体国家：标准值，计算值2抗剪强度指标测试方法•各本规范不同规定•《地基规范》不固结不排水•上海《地基规范》•直剪固快：地基承载力计算和稳定性验算；•直剪慢剪：地基长期稳定性验算；•三轴不固结不排水压缩（UU）：粘性土未固结地基稳定性验算，施工期稳定性验算；•三轴固结不排水压缩（CU），包括总应力法和有效应力法：考虑上都荷载引起地基强度增长、固结后地基稳定性验算，基坑稳定性验算；•三轴固结排水试验（CD）：地基长期稳定性验算；•无侧限抗压强度：粘性土施工期稳定性验算。测试方法不同原因•有概念理解上的差异，•有经验积累的不同，•有可操作性的考虑3关于数据的数量和质量•分析数据的代表性、可靠性和相关性，不合理的数据，应查明原因，复查验证，确定取舍。•不得少于6个•土性变异系数的限值：《港口勘察规范》•均匀土样，孔隙比和含水率不超过0.15；•压缩模量、抗剪强度、无侧限抗压强度•不超过0.3。•《北京规范》：压缩模量0.35，孔隙比0.10，内摩擦角0.25，粘聚力0.30，轻型动力触探0.35，标准贯入试验0.30。《建筑地基基础设计规范》•地基承载力特征值•地基承载力特征值可由载荷试验或其他原位测试、公式计算、并结合工程实践经验等方法综合确定。•表示正常使用状态计算时采用的地基承载力和单桩承载力的值，正常使用功能时所允许采用的抗力设计值•抗剪强度指标应取标准值，压缩性指标应取平均值，载荷试验承载力取特征值。地基承载力特